安培環路定理

安培環路定理

電磁學定理
在穩恒磁場中,磁感應強度B沿任何閉合路徑的線積分,等于這閉合路徑所包圍的各個電流的代數和乘以磁導率。這個結論稱為安培環路定理(Ampere circuital theorem)。安培環路定理可以由畢奧-薩伐爾定律導出。它反映了穩恒磁場的磁感應線和載流導線相互套連的性質。安培環路定理是穩恒磁場中的一個重要方程,常用于分析具有某種對稱性的電流體系的磁感應強度分布。[1]
  • 中文名:安培環路定理
  • 外文名:Ampere circuital theorem
  • 别名:安培定律
  • 提出者:安培
  • 适用領域:電磁學
  • 應用學科:物理
  • 驗證:可以由畢奧-薩伐爾定律導出

簡介

它的數學表達式是

按照安培環路定理,環路所包圍電流之正負應服從右手螺旋法則。如果閉合路徑l包圍着兩個流向相反的電流I1和I2(如圖1所示):

按圖1中選定的閉合路徑l的繞行方向,B矢量沿此閉合路徑的環流為:

如果閉合路徑l包圍的電流等值反向,或者環路中并沒有包圍電流,則:

積分形式

B電流I在一個曲面S上的通量,等于B場沿着S的邊緣閉合回路C的路徑積分。采用國際單位制,原版安培定律的積分形式可以寫為:

請注意到這方程有些模糊之處,需要特别澄清:

第一,邊界曲線C的正向與曲面S的側符合右手規則。

第二,(固定C)定理之成立與以C為邊界S的的選擇無關。

安培定律可由畢奧-薩伐爾定律和磁場的疊加性證明(請參閱畢奧-薩伐爾定律)。在靜磁學中,安培定律的角色與高斯定律在靜電學的角色類似。當系統組态具有适當的對稱性時,我們可以利用這對稱性,使用安培定律來便利地計算磁場。例如,當計算一條直線的載流導線或一個無限長螺線管的磁場時,可以采用圓柱坐标系來匹配系統的圓柱對稱性。

微分形式

根據開爾文-斯托克斯定理,這方程也可以寫為微分形式。隻有當電場不含時間的時候,也就是說,當電場對于時間的偏微分等于零的時候,這方程才成立。采用國際單位制,這方程表示為:

 

磁場的旋度等于(産生該磁場的)傳導電流密度

缺點

原版安培定律隻适用于靜磁學。在電動力學裡,當物理量含時間,有些細節必須仔細檢查。思考安培方程:

 

其中,是B場,是磁常數,是總電流。

取散度于這方程,則會得到:

 

應用一個矢量恒等式,旋度的散度必定等于零。所以:

 

這意味着電流密度的散度等于零:

 

在靜磁學内,這是正确的。但是,出了靜磁學範圍,當電流不穩定的時候,這就不一定正确了。

一個正在充電的電容器,左邊的圓形金屬闆,被一個假想的封閉圓柱表面S包圍。這圓柱表面的右邊表面R處于電容器的兩塊圓形金屬闆之間,左邊表面L處于最左邊。沒有任何傳導電流通過表面R,而有電流I通過表面L。

舉個經典例子,一個正在充電的電容器,其兩片金屬闆會随着時間分别累積異性電荷。設定表面L的邊緣為閉合回路C。應用安培定律:

為了解決上述難題,安培定律必須加以修改延伸。應用流體力學的方法,麥克斯韋摹想磁場為電介質渦旋(vortex)大海,而位移電流即為大海内的電極化電流。在他于1861年發表的論文《論物理力線》裡面,麥克斯韋将位移電流項目加入了安培定律。

證明方法

如果在某個載流導體的穩恒磁場中可以找到一條閉合環路l,該環路上的磁感強度B大小處處相等,B的方向和環路的繞行方向也處處同向,載流長直螺線管内磁場應用安培環路定理忽略了左右下的部分,證明并不是在環路上B的大小處處相等環路方向與磁感應強度方向相同處,B的大小方向處處相等。

對稱環路

在垂直于長直載流導線的平面内,以載流導線為圓心作一條半徑為r的圓形環路l,

則在這圓周上任一點的磁感強度H的大小為

其方向與圓周相切.取環路的繞行方向為逆時針方向,取線元矢量dl,則H與dl間的夾角,H沿這一環路l的環流為

式中積分是環路的周長。

于是上式可寫成為

從上式看到,H沿此圓形環路的環流隻與閉合環路所包圍的電流I有關,而與環路的大小、形狀無關。

任意環路

在垂直于長直載流導線的平面内,環繞載流直導線作一條任意環路l,取環路的繞行方向為逆時針方向。

在環路上任取一段線元dl,載流直導線在線元dl處的磁感強度B大小為

H與dl的夾角為,則H對dl的線積分為

直導線中心向線元的張角為,則有,所以有

可見,H對dl的線積分與到直導線的距離無關。

那麼B對整個環路的環流值為

上述計算再次說明H的環流值與環路的大小、形狀無關。

不包圍電流

在垂直于長直載流導線的平面内,在載流直導線的外側作一條如圖2所示的任意環路l,取環路的繞行方向為逆時針方向。

以載流直導線為圓心向環路作兩條夾角為的射線,在環路上截取兩個線元和。和距直導線圓心的距離分别為和,直導線在兩個線元處的磁感強度分别為和。從圖2可以看出,而利用安培環路定理的證明之二的結論可知。

結論

所以有:

從載流直導線中心O出發,可以作許多條射線,将環路分割成許多成對的線元,磁感強度對每對線元的标量積之和,都有上式的結果,故即環路不包圍電流時,B的環流值為零。

安培環路定理反映了磁場的基本規律。和靜電場的環路定理相比較,穩恒磁場中B的環流,說明穩恒磁場的性質和靜電場不同,靜電場是保守場,穩恒磁場是非保守場。

計算應用

利用安培環路定理求磁場的前提條件:如果在某個載流導體的穩恒磁場中,可以找到一條閉合環路l,該環路上的磁感強度B大小處處相等,B的方向和環路的繞行方向也處處同向,這樣利用安培環路定理求磁感強度B的問題,就轉化為求環路長度,以及求環路所包圍的電流代數和的問題,即

利用安培環路定理求磁場的适用範圍:在磁場中能否找到上述的環路,取決于該磁場分布的對稱性,而磁場分布的對稱性又來源于電流分布的對稱性。因此,隻有下述幾種電流的磁場,才能夠利用安培環路定理求解。

1.電流的分布具有無限長軸對稱性

2.電流的分布具有無限大面對稱性

3.各種圓環形均勻密繞螺繞環

利用安培環路定理求磁場的基本步驟

1.首先用磁場疊加原理對載流體的磁場作對稱性分析;

2.根據磁場的對稱性和特征,選擇适當形狀的環路;

3.利用公式求磁感強度。

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